可感受握紧力的机械手指设计.docx

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可感受握紧力的机械手指设计

可感受握紧力的机械手指设计

一、机械手指的功能介绍

本项目所要设计的机械手指具有感受握紧力的功能，能够根据所夹持的物体的具体表面硬度来确定所施加于被夹持对象的夹紧力，或者根据事先给机械手所设定的夹紧力范围来确定夹紧力。

这样，机械手就能够做到既夹紧工件，又能避免因夹紧力过大而引起被夹紧物体表面的破坏。

二、可感受握紧力的机械手指控制系统的总体构成

机械手指的主要构成有机械夹持装置、动作驱动电路、输入和控制界面、握紧力感受和控制装置（包括握紧力的感受、信号放大、A/D转换等）、握紧力分析处理电路。

各个部分的相互关系如下：

三、机械手指的具体工作原理和工作过程

图2机械手机构件图

机械手的机构简图如图2所示，整个机械手由六个杆件组成，其中杆件1、2和杆件3、4成对称分布，杆件六与支座固定，杆件1和杆件5能够在铰接处绕杆件6旋转。

杆件3能够在固定支座上左右运动。

对机械手指的控制方式采用闭环控制方式，并根据夹紧力判断是否需要增大或减小夹紧力。

具体过程是：

当控制系统发出握紧控制命令后，电机驱动轴在电机的作用下向左运动，机械手指会逐渐的握紧被夹物体。

当机械手指握紧被夹物体的时候，机械手指会发生机械变形。

这样，安装于手指表面的应变片会跟着发生变形，引起应变片本身电阻的变化。

通过相应的电路，将应变片的应变量转变成与之相对应的电压信号，然后将电压信号进行放大、滤波以及A/D转换后送入单片机控制电路进行分析处理，如果分析的结果表明机械手指的变形量还没有达到能够引起对被夹物体表面的破坏，则机械手指能够再进一步增大夹紧力；如果分析结果表明机械手指所达到的应变量已经超过了允许的最大变形量，说明当前机械手指的夹紧力已经到达最大允许值，如果夹紧力再增大，将会对被夹物体表面产生破坏。

应及时减小机械手指的夹紧力，使夹紧力在允许的范围之内。

四、机械手指控制系统设计及其工作原理

机械手指的控制系统是基于单片机技术的控制系统，系统包括控制输入电路、控制输出电路、状态显示电路、握紧力传感和反馈电路、以及通讯接口电路等等部分。

各部分电路由单片机统一控制，协调配合。

单片机控制电路总体构成如下图所示：

1、单片机I/O口的分配

本机械手控制系统采用AT89S52单片机控制，P0口作为输入、输出数据复用口，用于输出机械手控制信号和读入机械手指应力反馈数据信号，P2口用做地址输出口；键盘响应采用中断响应方式，当按键被按下时，键盘处理中断信号从INT0进入，键盘值从P1口读入，键盘处理子程序根据不同的键盘值做不同的动作。

2、键盘输入电路设计

a、键盘电路工作原理

键盘输入电路

控制系统的输入键盘采用行列式键盘结构，具体连接方式如上图所示。

为了节省单片机CPU的运算时间，对键盘案件动作的响应采用中断响应方式，键盘中断从外部中断0进入。

在没有键盘按下的时候，P1口的值为00001111B，与非门74LS13的说输出为高电平。

当某一个键盘被按下的时候，与非门74LS13的说输出为低电平，中断信号有效，并从外部中断0入口进入单片机，CPU响应外部中断，并执行相应的中断处理程序，将此时的P1口数据读入，并根据所读到的数据对键盘输入进行处理。

键盘输入电路总共有16个按键，数字键0~9，控制键有握紧键、松开键、暂停键、确定键、清零键等，并留两个键作为备用按钮，以便增加功能实用。

每一个按键都对应有一个键值码，不同的按键被按下的时候，中断处理程序从P1口读到的键盘数据是不一样的。

根据所读到的键值不同，单片机执行不同的处理程序。

每一次读完一次P1口，都要重新向P1口重新写入00001111B，回复P1口的初始状态，以便下次再按下键盘的时候能及时响应键盘中断处理程序。

b、键盘布置图和键值表

根据一般习惯，键盘按钮采用如下所示的布局方式：

键盘布置图

键盘的键值表为：

键值表

3、显示电路设计

显示电路

控制系统的显示电路如上图所示，能够显示四位的数码管，主要用来显示键盘输入时所设定的握紧力初值以及显示和监控握紧过程中握紧力、应变值的动态变化过程（增的和减少）。

为节约系统时间，显示电路没有采用循环扫描显示方式，而是在每一位数码管前段都接入了一片74LS737，用来所存待显示八位二进制数据。

每一片74LS737的数据输入端连接到单片机的P0口，74LS737的片选引脚接到译码电路的输出，分别占用了地址P2=0，1，2，3.

显示电路能够分别显示握紧力初值、握紧力和应变值，究竟是显示那一个量，可以通过键盘控制电路进行循环切换。

4、驱动电路设计

驱动电路

控制系统的驱动电路主要用来完成对步进电机的驱动控制，从而实现机械手的握紧和松开动作的控制。

本设计所使用的步进电机是两相四线式的微型步进电机，对电机的驱动采用的是两相十六拍控制方式。

控制时序直接从P0口输出，输出地址是P2=4。

为了提高对步进电机的驱动能力，驱动电路采用74LS244芯片来驱动控制，以提高步进电机的输出扭矩。

5、握紧力反馈电路设计

握紧力反馈电路

握紧力反馈电路主要是用来监控机械手的工作状态，并把握紧力的实时变化反馈回单片机控制系统，以便系统能够实时控制机械手指的握紧力，从而实现对机械手握紧力的定量控制。

握紧力反馈具体电路如上图所示。

反馈电路由前端桥式电路、集成运算放大电路、模拟\数字转换芯片以及必要的电容、电阻等构成。

R_YingBian是贴在机械手指发生变形的外表面上，用来感受机械手指握紧物体时所发上与手指上的应变。

R_BuChang是贴在机械手指外表面上不发生形变的表面上，事做补偿用，应变片自身的电阻为120欧姆。

R_J1和R_J2是精密电阻，阻值跟应变片的组织一样，也都为120欧姆。

当机械手指不受力的时候，其上个表面不会发生形变，因而这个时侯桥式电路a、b两点的点位相等，a、b之间的电压差为零，经放大和A/D转换后读到单片机里头的数据为0；当机械手指受力的时候，其上个表面会发生形变，应变片R_YingBian会赶着机械手的金属表面一起变形，因而这个时侯桥式电路a、b两点的点位不相等，a、b之间的电压差不为零，经放大和A/D转换后读到单片机里头的数据不为0，将这一数据进行一定的处理就能得到此时机械手所施加于被夹物体表面的握紧力；通过将所读到的应变数据与事先预设的数据进行对比，当所读到的应变数据小于预设数据是继续握紧机械手指，当所读到的应变数据大于预设数据是稍微松开机械手指，不断地重复对比过程，就能保证机械手当前的握紧力始终与预设值相等或相近，从而实现了握紧力的定量控制。

6、电阻应变片粘贴位置的选择

应变片粘贴的位置对机械手指应变值的感受精度有着非常大的影响。

理论上，电阻应变片无论粘贴在哪个位置（只要是发生形变的表面），都能算出该处在已知握紧力下的变形量。

但是，为了计算方便和提高应变片感受机械手指应变值的准确度，应变片的粘贴位置应选择合适。

进过初步分析，应变片的暗转位置选择在如图所示的位置。

应变安装位置

关于应变值的计算如下：

假设机械手指的握紧力为F，机械手指哥哥杆件的形状和尺寸如上图所示。

那么以这个握紧力F握紧一个物体时，应变片所在位置发生形变的理论值由下试算得，表达式为

五、控制系统程序设计

1、控制系统程序流程图

2、控制系统主程序

六、可感受握紧力的机械手指的实际应用价值

可感受握紧力的机械手指可以用于对握紧力要求比较高的场合。

比如，可以用于机床精密加工过程中对被加工件的搬运、夹持、掉头在加工等等。

并且，机械手指控制系统本身具有较高的移植性，可以将其作为子系统移植到其它夹持机构上，使一些不具有感受握紧力的夹持机构具有定量控制握紧力的功能，增强系统功能。